基于计算机模拟的注射器式挤压和螺杆式挤压3D食品打印机的对比研究
导 读
昔日，江南大学：Chao-Fan Guo（一作）、张慜*（通讯）联合昆士兰大学：Bhesh Bhandari等在Computers and Electronics in Agriculture（IF：3.858；分区:Q1/2区）在线发表了题为“A comparative study between syringe-based and screw-based 3D food printers by computational simulation”的研究型文章。
为了深入了解注射器式挤压和螺杆式挤压两种3D打印装置在流体流动特性和打印概况方面的差异，江南大学张慜教授团队联合昆士兰大学Bhesh Bhandari教授开发了计算流体力学（CFD）模型来研究和比较两种3D打印装置（注射器式挤压和螺杆式挤压）的流体特性。此外，还进行了3D打印的实验研究，对选定的两台不同挤压类型的商用3D食品打印机（时印科技的注射器式挤压3D打印机SHINNOVE-D1和博力迈的螺杆式挤压3D食品打印机FSE 2）进行了比较。
左下方「阅读原文」获取摘要DIO：10.1016/j.compag.2019.04.032
全文共2674字，15图，预计阅读时间7分钟
到目前为止，人们在食品3D打印制造过程中研究了各种打印方法，如热熔/室温挤压、选择性激光烧结、热风烧结、注射和粘结剂喷射打印。其中，基于挤压的3D打印方法是食品打印过程中最常用的方法。与挤压蒸煮不同，食品挤压3D打印是一种数字控制和自动构建过程，用于逐层构建复杂的3D食品对象。食品挤压3D打印从装入墨水开始，墨水受控制从喷嘴中挤出，按编程路径移动墨水流，层层沉积形成复杂结构。基于挤压的3D打印机由数控多轴平台和一个或多个挤压单元组成。
根据挤压机理，挤压设备可分为注射器挤压、螺杆挤压和气压驱动挤压。在基于注射器的挤压装置中，活塞由编程的步进电机驱动，该电机提供直线运动，将食品墨水推出喷嘴(图1a)。挤出速度可通过改变电机转速轻松调节。当食品油墨的粘度过高时，电机需要更多的动力才能将其挤出。基于注射器的3D食品打印机已被广泛应用于食品打印过程，并在之前的许多研究中进行了报道。
▲图1. 挤出机制:(a)注射器式挤压，(b)螺杆式挤压，(c)气压驱动式挤压。
另一方面，基于螺杆的进料机构已成功应用于食品打印过程，如球形念珠藻、土豆泥、鱼糜和面团的3D打印过程。在挤出管中，由程控马达驱动的螺杆不断地将墨水从墨盒向下输送，并通过较窄的管状喷嘴(图1b)。然而，据报道，基于螺杆的挤压3D打印方法不适合高粘度和高机械强度的油墨，因为这些油墨无法实现适当的挤出以获得良好的打印精度。
气压驱动挤压机的工作原理类似于基于注射器的挤压机，在注射器的基础上，食品墨盒中的材料受到气动泵产生的气压的推动(图1c)。
该研究的目的是通过计算机模拟模型和3D打印实验，对这两种不同的基于挤压的食品3D打印方法在流体流动特性和打印概况方面进行比较。对模拟模型的分析表明，基于螺杆的3D食品打印机具有复杂的流体特性，并且在挤出管壁与螺杆螺纹之间的间隙处存在回流现象。然而，基于注射器的3D食品打印机显示出更简单的流体特性，这可以很容易地调整。此外，3D打印实验表明，基于螺杆的3D食品打印机不适合挤出高粘度的油墨。研究结果为选择合适的印刷方法提供了参考，为进一步的3D打印研究和新型打印机的设计提供了理论基础和技术指导。
▲图2.(a)基于注射器的3D打印设备、(b)基于螺杆的3D打印设备、(c)注射器的CAD模型的示意图、(d)螺杆挤出管的CAD模型的示意图。
▲图3.(a)基于注射器的3D食品打印机的模拟速度(m/s)分布，(b)基于螺杆的3D食品打印机和(c)基于注射器的3D食品打印机的纵向流速场，(d)基于螺杆的3D食品打印机。
▲图4.(a)基于注射器的3D食品打印机和(b)基于螺杆的3D食品打印机的模拟剪切速率(1/s)分布。
▲图5.(a)基于注射器的3D食品打印机和(b)基于螺杆的3D食品打印机的模拟压力(Pa)分布。
▲图6.不同含水量土豆泥(土豆全粉：水)的流变特性。
▼表1.注射器式打印机和螺杆式打印机的打印概况
专 家 简 介
张慜教授是浙江平湖人，曾完成两站博士后研究，现为江南大学二级教授，食品学院责任教授、博士生导师,兼任食品资源开发与综合利用方向负责人。主要从事生鲜食品资源加工、贮藏保鲜机理和工程研究。
1998年起他招收硕士生，培养硕士生121名【已毕业104名】；2000年起招收博士生，培养博士生46名【已毕业32名】；2004年起招收博士后和高访学者，培养博士后7名、高访学者2名。2000年入选江苏省“青蓝工程”和江苏省“333工程”。2004年入选首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选，2006年享受国务院政府特殊津贴, 2005年起担任瑞典国际科学基金委（IFS）食品学科科学顾问；2007年起先后担任3个SCI学术刊物 （Journal of Food Engineering；Drying Technology; International Agrophysics）以及《食品与生物技术学报》、《食品安全质量检测学报》、《干燥技术与设备》等国内学术刊物的编委。2013年8月起，被澳大利亚昆士兰大学授予食品科学领域的荣誉教授。他已在国家级出版社出版专、译著26部，其中与多家龙头企业出版联合专著8部；国家十二五重点图书1部，主编英文版国际系列会议论文集1本，应邀出版BOOK CHAPTER10个，共同主编英文专著2本；以责任作者在SCI国际刊物上发表了252篇论文，其中影响因子3.0以上的论文28篇，影响因子2.0-3.0的论文74篇；被引总数3765次，他引2820篇次，h-index数为33。申报了194项国家发明专利（156项已获授权）和18项国际专利（德国、日本、法国、韩国、瑞士、澳大利亚、美国、比利时、卢森堡等国专利，以及3项PCT专利），荣获“江苏省第五届十大杰出专利发明人”称号。主持的项目获国家科技进步二等奖1项，江苏省科技进步一等奖1项、二等奖1项，中国轻工业联合会科技进步一等奖1项、二等奖3项，中国商业联合会科技进步特等奖2项、一等奖3项，教育部科技进步二等奖2项，中国食品工业协会科技进步一等奖1项、二等奖2项。版权声明：「原创」仅代表原创编译，本平台不主张原文的版权，如有侵权，请联系删除。小编水平有限，如有不科学之处，请留言指正！
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